β-胡萝卜素相关降解酶在动物黄脂形成过程中的调控作用研究进展

任晓莹，王树林，曹得霞

（青海大学农牧学院，青海西宁 810016）

β-胡萝卜素（β-carotene）作为维生素A 的前体，广泛存在于诸多作物中[1]，目前已知有β-胡萝卜素-15，15'-加氧酶（β-carotene-15，15' -momoxygenase，BCMO1）和β-胡萝卜素-9'，10'-双加氧脱氢酶（β-carotene-9'，10'-dioxygenase，BCO2）2 个与β- 胡萝卜素代谢相关的酶，在不同物种和组织细胞中发挥不同的重要作用，BCMO1裂解产生 2 分子视黄醇（Retinol，ROH），BCO2裂解产生1 分子ROH[2]，其共同裂解产物视黄酸（Retinoic Acid，RA）影响脂肪沉积[3]，在脂质代谢过程中有多种调控因子参与，包括视黄酸受体（Retionic Acid Receptor，RAR）、维甲酸类X 受体α（Retinoid X Receptorα，RXRα）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ（Peroxisome Proliferator-ac-tivatereceptorγ，PPARγ）、肠道特异同源框（Intestine Specific Homeobox，ISX）和B 类Ⅰ型清道夫受体（Scavenger Receptor Class B type Ⅰ，SR-B Ⅰ）；当动物摄入过量维生素A 源物质时，由于负反馈调节机制，大量的类胡萝卜素无法进行正常代谢，部分沉积在动物组织中[4]，若沉积在脂肪中，表现为脂肪黄色组织[5]。大量的证据表明，β-胡萝卜素衍生的类胡萝卜素信号分子可以影响脂肪细胞生理学[6-8]。然而，控制膳食β-胡萝卜素对类视黄醇裂解效率的物种特异性差异的机制仍不清楚。本文主要综述了β-胡萝卜素的2 种降解酶的特性及动物黄脂研究进展，为β-胡萝卜素在动物营养调控方面的研究和应用提供一定参考。

1 β-胡萝卜素与动物体内维生素A 的代谢关系

维生素A 为脂溶性维生素，对脊椎动物的生命至关重要，并具有视觉作用[9]、上皮正常形成和维持[10]、免疫功能[11]、胚胎生长和发育[12]、保护神经[13]等重要功能。β- 胡萝卜素作为维生素A 的前体，广泛存在于胡萝卜、木瓜、菠菜、哈密瓜等作物中[14]。β- 胡萝卜素产生维生素A 的量主要取决于摄入类胡萝卜素的吸收和代谢情况，动物体内不能从头合成维生素A，只能靠食源性物质的供给[15]。然而，有研究在节肢动物的基因组中发现了编码类胡萝卜素生物合成的基因[16]。动物体内不能从头合成维生素A 的观点存在争议。

已知在动物体内维生素A 的合成主要有对称切割和不对称切割2 个途径可将β-胡萝卜素转化为维生素A 的衍生物。对称切割是将BCMO1切割为2 分子视黄醛（Retinaldehyde，RAL）[17]，其次在视黄醛还原酶的作用下转化为维生素A，RAL 也可在视黄醛脱氢酶的作用下转化成为RA[18]；不对称切割是将BCO2切割成β-apo-10'-胡萝卜素和β-紫罗酮[19]，β-apo-10'-胡萝卜素经过类似β氧化的过程转化为RA[20]。尽管BCMO1是维生素A 生成中的主要酶，但BCO2被认为是形成维生素A 的替代途径[21]。小鼠的敲除研究强烈表明，BCMO1是β- 胡萝卜素转化维生素A 的关键酶[6]。在小鼠中的类似研究也表明，BCMO1在β-胡萝卜素转化为类维生素A 中起主要作用，但作者并未排除其他酶的可能贡献[22]。与BCMO1不同，BCO2具有更广泛的底物特异性，还可以代谢非维生素A 类胡萝卜素。在心脏、子宫内膜结缔组织、前列腺和和骨骼肌细胞以及内分泌胰腺中检测到BCO2，发现BCO2酶在一些对维生素A 缺乏不敏感且未检测到BCO1的组织和细胞类型中表达，这也表明BCO2可能参与除维生素A 合成之外的其他生物过程[23-24]。鸡中分离的BCO2分解出多种类胡萝卜素[25]，包括叶黄素（Xanthophylls）。这意味着该酶除了提供维生素A 合成的前体之外可能具有其他生理作用。Li 等[26]研究表明，灵长类动物BCO2由于失去可变剪接位点而失活有助于灵长类动物视网膜中叶黄素和玉米黄质素（zeaksantyna）的选择性积累。相比之下，Babino 等[27]提出人BCO2的酶功能是保守的，BCO2表达受氧化应激调节。

2 β-胡萝卜素相关代谢酶对动物类胡萝卜素代谢的调控作用

2.1β-胡萝卜素在动物体内分布及转运 不同动物体不同组织器官中类胡萝卜素分布部位及含量不同。Yang等[28]报道，绵羊和山羊的血清和脂肪中叶黄素为主要的类胡萝卜素，而牛的血清和脂肪中则是β-胡萝卜素，脂肪中有较高含量的叶黄素，鸡的肝脏中则是β-胡萝卜素，而牛肝脏中仅有少量β-胡萝卜素。在动物的不同生长阶段，类胡萝卜素存在的组织部位不同。在动物生长的初级阶段，类胡萝卜素主要分布在血液、脂肪、皮肤、肝脏以及禽类动物的羽毛中；在动物性成熟以后则开始转至生殖器官中，幼鲑鱼体内的类胡萝卜素主要分布在肌肉和皮肤中，性成熟以后卵巢中的含量占主导[29]。

β- 胡萝卜素的存在形式为非单体的蛋白复合物，类胡萝卜素经动物体中胃肠消化酶的作用分离成单体，再与脂类一同被胆汁乳化后进入十二指肠，形成乳糜微粒，这可被胆固醇转运载体进行转运，也可经被动运输在小肠黏膜处被吸收[30]。被吸收的乳糜微粒能够直接转化为维生素A 后被机体利用，也能够经门静脉或淋巴管进入血液循环，进而储存在肝脏或转化为维生素A，而一部分未被转化的乳糜微粒与新陈代谢的黏膜上皮细胞一起经过肠道后被排出体外[31]。一些观察表明，类胡萝卜素的吸收不一定是被动过程[32]，其吸收存在非常明显的个体差异，很难用被动扩散过程来解释。之前有研究表明，在类胡萝卜素小肠吸收过程中，SR-BI和 CD36（Cluster of Differentiation 36，CD36） 可 能参与了脂类的摄取[33]，在果蝇中发现了与哺乳动物B类清道夫受体SR-BI 和CD36 具有明显的序列同一性的清道夫受体，其介导细胞对类胡萝卜素的摄取[34]。然而，在某些物种中，大量的类胡萝卜素不会在肠道中裂解并进入循环[35]。据推测，血清中的类胡萝卜素通过高密度脂蛋白（High Density Lipoprotein，HDL）受体传递给靶细胞[36]，类胡萝卜素被掺入乳糜微粒中以进入循环。大多数亲脂性类胡萝卜素在极低密度脂蛋白（Very Low Density Lipoprotein，VLDL）和低密度脂蛋白（Low-Density Lip-oproteins，LDL）颗粒的核心中运输[37]并最终通过LDL 受体递送至外周组织[38]。有研究表明，血清中β-胡萝卜素水平由维生素A 前体的中心裂解产生的RAL 通过视黄醛还原酶有效地转化为ROH，并通过视黄醇酰基转移酶在肠细胞内酯化，视黄酯（Retinyl Ester，RE）由新生的乳糜微粒通过淋巴系统运输，并被肝细胞吸收，再被水解成ROH，然后由肝细胞分泌到循环中或储存在肝星状细胞中，其比例旨在维持稳定的ROH 血浆水平[8]。本团队研究发现，日粮中添加不同水平β-胡萝卜素的牦牛血浆ROH 水平差异不显著（数据未发表），因此，推测血浆ROH 水平不受外界类胡萝卜素摄入的影响，只有当维生素A肝脏储备严重耗尽时才会发生变化。

2.2BCMO1和BCO2对β- 胡萝卜素代谢的调控作用类胡萝卜素主要通过对称裂解途径转化为维生素A，其中BCMO1起催化作用使β- 胡萝卜素在 15，15' 双键位置断裂，通过15，15' 双键的环氧化作用、双键的水化开环和二醇形式的氧化断裂，最后生成2 分子RAL[39]。早期研究表明，在大鼠肝脏和肠道中发现了BCO1 能分解ROH[40-41]。动物的大部分组织器官中均可检测到BCMO1的表达，其中在肠黏膜细胞中的活性达到最大值[34]。Duszka 等[42]在小鼠的肝脏、肾脏、小肠、子宫以及睾丸中均检测到BCMO1基因mRNA 的表达。而Wyss 等[43]研究发现，在鸡体内BCMO1基因mRNA 主要在十二指肠黏膜、肝脏、肺脏及肾脏管状结构等组织表达。有研究表明，在肝脏细胞的储脂细胞中BCMO1具有较高的表达量[44]。在敲除BCMO1基因后，小鼠出现维生素A 缺乏，且形成脂肪肝[6]。

BCO2是位于线粒体内膜中的类胡萝卜素裂解酶，最初被发现是一种催化类胡萝卜素不对称裂解的酶。BCO2敲除损害线粒体功能，导致氧化应激。BCO2在肝细胞中高度表达，对于ROH 的摄取和加工很重要[45]。含有羟基化β- 紫罗兰酮环的类胡萝卜素（包括隐黄素和叶黄素）是BCO2的底物，位于线粒体中[3]。这些发现表明BCO2突变具有组织特异性。Jaume 等[46]研究证明，BCO2具有防止类胡萝卜素过度积累的作用，特别是在线粒体中。BCO2敲除小鼠也显示肝脏中的脂质积累[47]。然而，BCO2表达升高减弱了肝脏脂肪变性。敲除BCO2可能导致肝脏线粒体功能障碍，导致脂肪酸氧化受损，肝细胞对氧化应激的易感性增加[48]。有研究显示，BCO2的全身敲除导致食物摄入增加而体重不增，这表明敲除小鼠中的能量稳态可能受到干扰[49]。

BCMO1和BCO2催化β- 胡萝卜素转化为相应的产物，一部分生成ROH 用于机体正常的ROH 代谢，一部分生成RA。推测在正常情况下，若摄入大量β-胡萝卜素会导致RA 的累积，而RA 能够影响脂肪细胞的分化[50]和脂肪沉积[3]。已有研究表明，BCMO1在脂肪细胞中RA 产生和RAR 信号传导中具有重要作用[50]。Prauda 等[51]发现，β-胡萝卜素通过激活RA 途径对鸡成肌细胞发挥其生物效应，在鸡成肌细胞中，会降低与天然突变或siRNA 处理连续的BCO1表达，对β-胡萝卜素的反应受到抑制，BCO1siRNA 转染增加了BCO2的表达，其抑制对照组和β- 胡萝卜素处理组的细胞增殖。总之，RA 作为类胡萝卜素代谢途径中的裂解产物，其在动物脂质代谢途径中尤其脂肪细胞分化和脂肪沉积中发挥重要作用。

3 BCMO1 和BCO2 在动物黄脂形成过程中的调控作用

类胡萝卜素在动物体内的代谢沉积可能影响动物脂肪颜色。只有当反刍动物在含高水平类胡萝卜素的绿色饲料上放牧时，脂肪才会在脂肪组织中积累β-胡萝卜素[28]，牛肉中的黄色脂肪颜色是由脂肪组织中类胡萝卜素的沉积引起的[52]。将牧草喂养的牛转移到饲养场并在屠宰前（4～10 周）短时间内提供低类胡萝卜素饮食可降低脂肪黄度[53]。Vage 等[54]对黄色脂肪个体中BCMO1和BCO2基因的编码区域进行了测序，发现在黄色脂肪个体中，BCO2核苷酸位置196（c.196C＞T）出现无义突变，导致类胡萝卜素的沉积，更多的β- 胡萝卜素可以通过肠细胞转移并沉积在脂肪组织中，从而增加脂肪黄色。许多食用鱼（鲑鱼，鳟鱼）、软体动物（贻贝）和甲壳类动物（虾、龙虾）的独特颜色也是由于类胡萝卜素的累积[55]。在家鸡中，黄色皮肤是由一种或多种顺式作用和组织特异性调节突变引起的，这些突变抑制皮肤中BCO2的表达，使得黄色类胡萝卜素沉积[56]。在奶牛中，BCO2突变与脂肪组织有关，主要是由类胡萝卜素沉积引起的，基因关联分析表明，具有AA 基因型的动物比具有GG 或GA 基因型的动物含有更多的黄色脂肪[57]。然而，有证据表明，黄色脂肪颜色是遗传性状，绵羊的黄色脂肪是一种简单的隐性遗传[58]。Li 等[59]研究发现，扇贝肌中的类胡萝卜素着色符合孟德尔性状定律，扇贝肌中类胡萝卜素代谢相关基因的下调导致类胡萝卜素沉积和肌肉着色。在日粮添加方面，Strychalski等[60]研究表明，相比于白色脂肪兔，黄色脂肪兔肾周脂肪中维生素A、维生素E、β-胡萝卜素和叶黄素含量较高。日粮中添加β-胡萝卜素对野生型小鼠和BCMO1敲除小鼠的体脂影响研究发现，β-胡萝卜素能够显著降低小鼠体脂，并表现出基因敲除小鼠中脂肪库的颜色为橙色[35]。

此外，研究发现BCMO1敲除小鼠对高脂肪饮食诱导的肥胖非常敏感，并且在脂肪库中表现出PPARγ调节基因的表达增加[26]。PPARγ控制脂质基因的表达[6]，是成熟脂肪细胞中脂肪细胞分化和脂肪生成的关键[61]。BCMO1基因表达受 PPARγ控制[62]，并在脂肪细胞分化过程中被诱导[63]。另外，有研究证明β- 胡萝卜素裂解产物RAL 可抑制脂肪细胞培养和小鼠模型中的 PPARγ活性[64]，BCMO1在脂肪细胞中起 RA 产生和RAR 信号传导的重要作用[65]。ISX 在类胡萝卜素代谢中发挥重要作用，通过基因敲除ISX 小鼠，发现BCMO1在十二指肠和空肠中高度表达，证明ISX 通过调节肠中BCMO1的表达参与维持维生素A 代谢[61]。大量的β-胡萝卜素被分解，生成的RA 累积可激活RAR的信号传导，RAR 激活肠道特异同源框ISX，ISX 会抑制BCMO1的表达或通过抑制SR-BI 间接影响BCMO1基因的表达，此过程由负反馈机制调控[66]。有研究数据表明，低维生素或低β- 胡萝卜素摄入能刺激沙鼠肠中的BCMO1和SR-BI 表达，可能是由于RA 缺乏，没有对这2 种蛋白质起负反馈作用[4]。然而，这个概念在动物模型中缺乏实验测试，有关类胡萝卜素相关代谢酶的代谢机制目前尚不明确，动物黄色脂肪形成机理也处于研究状态。

4 小 结

在类胡萝卜素代谢过程中，BCMO1和BCO2发挥关键作用，其共同裂解产物RA 影响脂肪沉积。BCMO1能调节脂肪细胞中 PPARγ的活性，SR-BI 的肠脂质吸收受类维生素A 信号传导的控制。通过RAR诱导肠转录因子ISX 的表达，而ISX 抑制SR-BI 和BCMO1的表达，从而减少类胡萝卜素的分解，β-胡萝卜素通过类胡萝卜素加氧酶的组织特异性转化能影响控制脂肪细胞生理学的关键转录因子的活性。因此，β-胡萝卜素代谢产物及其衍生的类胡萝卜素信号分子影响脂肪细胞生理学，改变了动物体脂颜色，导致脂肪组织变黄。关于动物黄脂形成机理尚无定论，类胡萝卜素的调控机制、RA 在调控中的作用、动物组织中类胡萝卜素积累机制以及影响体脂颜色等方面类胡萝卜素的代谢机制仍有待研究。为了深入探究类胡萝卜素代谢机制，还需建立动物模型，进一步在分子水平上进行科学研究。